Risonanza Magnetica: Scopri Come Funziona, i Principi Fondamentali e il Design Innovativo!

La risonanza magnetica (MRI) è una tecnica che permette di acquisire immagini anatomiche o funzionali relative a una serie di regioni corporee. La risonanza magnetica è utilizzata in medicina e in particolare in radiologia per fornire immagini dell’anatomia e dei processi fisiologici di parti del corpo. Gli scanner di risonanza magnetica funzionano grazie alla presenza di campi magnetici che permettono di generare immagini degli organi del corpo.

Cenni Storici

Nel 1950, Erwin Hahn e, successivamente, Herman Carr avevano riportato una immagine di risonanza unidimensionale nelle tesi di dottorato. Nel 1960, Vladislav Ivanov aveva depositato un documento in cui si chiedeva la disponibilità allo stato di poter creare un Dispositivo Risonanza Magnetica e nel 1971 Raymond Damadian, un medico armeno-americano e professore Presso Downstate Medical Center State University of New York, ha inventato la prima risonanza magnetica e ha depositato il primo brevetto.

Principi di Funzionamento

Il segnale della risonanza magnetica dipende dai protoni dell’acqua contenuti nei tessuti, mentre l’intensità dell’immagine deriva dalla densità dei protoni ed è influenzata dall’ambiente locale delle molecole d’acqua. Ciascun protone possiede una carica e ruota attorno al proprio asse, ovvero ha uno spin. Quando il tessuto è disposto in un campo magnetico statico, i protoni in pochi secondi si ordineranno assumendo un verso parallelo (up) o antiparallelo (down). I due orientamenti rappresentano situazioni di livello energetico diverse.

Per far verificare il fenomeno della risonanza magnetica è necessario si invii un’onda a radiofrequenza specifica, cioè a frequenza uguale a quella di precessione dei protoni di Idrogeno. In questo modo si produce un’eccitazione sul sistema protonico: l’energia fornita al tessuto dall’impulso di eccitazione a radiofrequenza sarà tanto maggiore quanto più lunga sarà la durata dell’impulso stesso. I nuclei risentono della transizione energetica, e quindi perdono la loro situazione di equilibrio. Alla fine dell’impulso di radiofrequenza, il sistema protonico si trova in una situazione di non equilibrio, dovuta alla quantità di energia assorbita e ad un conseguente aumento dell’energia potenziale che genera instabilità e tendenza al ripristino delle condizioni iniziali.

All’eccitazione protonica segue quindi una fase durante la quale gli spin tenderanno a liberarsi dell’energia in sovrappiù fino a tornare nella condizione iniziale che è assai più stabile e più probabile.

Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI)

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica intordotta di recente per studiare nel dettaglio l’attività cerebrale. Essa nasce negli anni novanta ad opera di Thulborn e Ogawa, che intuirono l’importanza dell’ossigenazione sanguigna nel tempo (segnale BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent), per acquisire immagini relative a una determinata area cerebrale. L’effetto BOLD era stato studiato da L.Pauling, che l’aveva legato a delle immagini strutturali cerebrali per renderle più informative da un punto di vista funzionale.

Questo metodo di indagine si basa sul cambiamento del segnale MRI, al quale si associa la risposta emodinamica e metabolica in una regione in cui si ha un’attivazione neuronale indotta da stimoli interni o esterni. L’fMRI, è legata strettamente a contesti sperimentali e di ricerca per individuare, sia in soggetti normali che in soggetti patologici, le aree del cervello attivate durante compiti di stimolazione. In questo modo si ottengono mappe di attivazione (funzionali) che consentono di illustrare quali aree cerebrali sottendono funzioni cognitive specifiche.

Chiaramente i compiti fatti svolgere da un soggetto in fMRI sono specifici rispetto a una funzione svolta da una determinata area. Quando si genera un incremento di attività cerebrale in un’area si determina un maggiore afflusso sanguigno in quell’area con conseguente aumento locale della quantità di ossigeno. Di conseguenza anche il flusso sanguigno aumenterà perché è necessaria una quantità maggiore di emoglobina ossigenata. La fMRI non produce immagini dirette di quello che avviene nel cervello, poiché queste immagini sono un effetto indiretto, derivante dalla risposta emodinamica, dell’attività neuronale.

Durante una sessione di un esperimento in fMRI, quindi, sono acquisite immagini funzionali quando il cervello è in una condizione di riposo (assenza di stimoli) e durante l’esecuzione di un task sensoriale, motorio o task cognitivo. Lo stesso task è ripetuto periodicamente in modo da fare una media statistica di tutti i valori delle immagini relativi all’attivazione. L’immagine finale si ottiene facendo una sottrazione mediata tra l’immagine acquisita durante l’assenza di stimoli e l’immagine acquisita durante la presentazione dello stimolo.

Sicurezza e Ambiente di Lavoro

La Risonanza Magnetica (RM) per immagini è una tecnica diagnostica largamente utilizzata in diversi campi della medicina (neurologico, cardiovascolare, ortopedico,…). Non utilizzando radiazioni ionizzanti, la RM è ritenuta intrinsecamente più sicura rispetto alle tecniche di radio-diagnostica (es. tomografia a raggi X) o di medicina nucleare (es. D’altra parte, il personale sanitario che lavora in ambienti di RM è esposto, durante il tempo di permanenza nella sala magnete, al campo magnetico statico che è costantemente presente.

L’esposizione ai campi di gradiente ed alla RF, che sono presenti solo durante l’esecuzione dell’esame diagnostico, avviene solo in particolari situazioni che richiedono la presenza dell’operatore in sala durante l’esame (es. procedure interventistiche, pazienti che richiedono particolare assistenza…). Inoltre, il campo magnetico statico è caratterizzato da un forte gradiente spaziale, con valori che decrescono proporzionalmente con la distanza dal magnete.

Il Ruolo delle Onde a Radiofrequenza (RF)

Per capire meglio il concetto, possiamo pensare alle corde di una chitarra: se ne pizzichiamo una facendola quindi vibrare ad una certa frequenza, quella vicina risentirà delle onde emesse dalla prima e si metterà anch’essa a vibrare; questo fenomeno può essere impercettibile ma se le due corde sono tese in modo da emettere la stessa nota (sono cioè accordate tra di loro) il fenomeno risulta ben visibile e le due corde vibrano in modo da emettere, appunto, onde alla stessa frequenza.

In particolare, nella RM il sistema che eroga energia è rappresentato dalle onde elettromagnetiche a RF, che disturbano l’equilibrio dei nuclei di idrogeno (H), presenti in abbondanza nei tessuti del corpo umano e che sono ordinati lungo una stessa direzione per effetto del campo magnetico esterno. Gli atomi di H rappresentano quindi il sistema accettore: lo scambio di energia avviene però solo se la frequenza delle onde RF è uguale alla frequenza caratteristica dei nuclei di H. I nuclei di idrogeno hanno numero quantico di spin diverso da 0 e quindi possiedono un momento angolare, cioè un movimento di rotazione: all’interno dei tessuti biologici essi sono orientati casualmente ma se vengono immersi in un campo magnetico essi si orientano lungo la sua direzione (in verso concorde o discorde); inoltre acquistano una ulteriore rotazione.

Il movimento che ne risulta è detto di “precessione” e può essere paragonato a quello di una trottola che venga toccata mentre ruota attorno al proprio asse. L’insieme dei nuclei allineati lungo la direzione del campo magnetico statico può essere considerato come un unico vettore avente direzione e verso pari a quelli di B0, detto “magnetizzazione macroscopica” M. Quando i nuclei acquistano energia da un’onda di eccitazione RF perdono la loro condizione di equilibrio: a seconda della durata dell’impulso, un certo numero di protoni allineati al campo con verso concorde (livello energetico più basso) si porteranno ad un livello energetico più alto, quindi a disporsi in verso discorde a B0 fino al bilanciamento numerico delle due popolazioni e al raggiungimento di una sincronizzazione di fase.

L’impulso RF responsabile di questo fenomeno è detto “impulso RF a 90°” e fa si che la magnetizzazione M compia un moto a spirale fino a porsi sul piano trasversale alla direzione di B0 (se la direzione di B0 è Z, il piano trasversale è ovviamente il piano XY). Un impulso RF a 180° causa invece l’inversione del vettore ML che continua il suo movimento a spirale fino a disporsi nuovamente sull’asse Z ma con verso contrario a quello iniziale.

Un altro parametro importante è il tempo di rilassamento T2* (T2 star): esso è legato alla perdita di coerenza di fase della MT determinata sia da scambi energetici tra spin e spin che dalle disomogeneità del campo magnetico incontrate dalla MT durante il moto sul piano trasversale XY.

Localizzazione Spaziale

Al fine di ottenere il risultato finale occorre un ulteriore passo e cioè quello della localizzazione: per ottenere un’immagine dell’organo sotto indagine è infatti indispensabile localizzarlo spazialmente. A questo scopo i gradienti di campo, ovvero dei campi magnetici variabili nello spazio e nel tempo, vengono sovrapposti al campo magnetico statico; essi hanno proprio la funzione di dare una collocazione spaziale alle sorgenti dei vari segnali ricevuti dal sistema. Dall’equazione di Larmor sappiamo che ad ogni intensità di campo magnetico corrisponde una frequenza di precessione protonica quindi, variando di quantità note il campo magnetico su volumi specifici, è possibile selezionare le regioni dalle quali proviene il segnale basandosi sulla frequenza di quest’ultimo.

I gradienti di campo vengono applicati durante il periodo in cui viene inviato l’impulso di RF e permettono di selezionare una particolare fetta (slice) nel volume sotto indagine.

Preparazione e Svolgimento dell'Esame

Prima dell’esame, il paziente riceverà istruzioni specifiche dal personale medico o tecnico sulla preparazione necessaria. Queste istruzioni possono includere il digiuno per alcune ore, la rimozione di oggetti metallici (come gioielli e apparecchi acustici) e la vestizione con indumenti ospedalieri. Il paziente viene quindi posizionato sulla lettiga della RM. La lettiga del paziente viene quindi spinta all’interno del tunnel o dell’anello della macchina, dove avverrà l’acquisizione delle immagini.

Durante l’esame, il paziente rimarrà in comunicazione costante con il personale medico o tecnico attraverso un microfono o un sistema di interfono. Durante l’esame, vengono inviati impulsi radio e campi magnetici per creare i segnali utilizzati per generare le immagini. Il paziente deve rimanere il più immobile possibile durante questo processo per evitare artefatti nelle immagini. Una volta completata l’acquisizione delle immagini, la lettiga del paziente viene gradualmente estratta dalla macchina RM.

Monitoraggio e Follow-Up

La risonanza magnetica è spesso utilizzata per monitorare l’evoluzione delle condizioni mediche nel tempo.

Considerazioni Speciali

Consulto medico: Solitamente, un medico valuterà la necessità dell’esame RM con contrasto e discuterà la procedura con il paziente.
Esami del sangue: In alcuni casi, potrebbe essere richiesto un esame del sangue per verificare la funzionalità renale e l’ematocrito (il rapporto tra cellule del sangue e plasma).
Claustrofobia: Le persone con claustrofobia anche lieve possono avere difficoltà a tollerare lunghi tempi di scansione all’interno della macchina.
Parti metalliche: In seguito a incidenti gravi, capita di dover inserire delle protesi metalliche (viti, placche, ecc…), che rendono impossibile eseguire l’esame.